메모리와 페이지 교체 이해하기

현대 컴퓨터 시스템에서 메모리는 프로그램과 데이터를 임시로 저장하여 프로세서가 빠르게 액세스할 수 있도록 하는 핵심 자원이다. 하지만 물리적 메모리(RAM)는 한정되어 있기 때문에 운영체제는 가상 메모리라는 개념을 도입하여 보다 효율적으로 메모리를 관리하고자 한다.

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메모리의 이해

메모리의 역할

• 임시 저장소
  컴퓨터 내에서 프로그램 실행 중에 필요한 데이터와 명령어를 저장
• 속도와 접근성
  프로세서가 빠르게 데이터에 접근할 수 있게 하여 전반적인 시스템 성능업
• RAM (Random Access Memory)
  일반적으로 휘발성이며 전원이 꺼지면 저장된 정보가 사라짐

메모리 구조 및 한계

• 물리적 메모리
  실제 설치된 RAM의 용량에 따라 시스템의 성능이 결정된다.
• 한계
  모든 프로그램이 동시에 실행될 때 물리적 메모리의 용량 부족 문제가 발생할 수 있다.

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가상 메모리 관리

가상 메모리란?

• 개념
  가상 메모리는 실제 물리적 메모리보다 큰 메모리 공간을 제공하는 기법으로 운영체제가 하드 디스크의 일부 영역을 메모리처럼 사용하게 한다.
• 목적
  프로그램에 충분한 메모리 공간을 할당하고 여러 프로세스가 동시에 실행될 수 있도록 지원한다.

가상 메모리의 작동 원리

• 주소 변환 (Address Translation)
  프로세스는 자신의 가상 주소 공간을 가지며 CPU와 운영체제는 이를 물리적 메모리 주소로 변환하기 위해 페이지 테이블(Page Table)을 사용한다.
• 페이지(Page) 단위 관리
  가상 메모리는 작은 단위의 페이지로 나누어 관리되며 필요한 페이지만 물리적 메모리에 로드된다.
• 스왑(Swap) 또는 페이지 아웃(Page Out)
  물리적 메모리에 여유 공간이 없을 경우 사용하지 않는 페이지를 하드 디스크의 스왑 영역으로 옮겨 메모리 공간을 확보한다.

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페이지 교체 (Page Replacement)

페이지 교체란?

• 정의
  가상 메모리 관리에서 물리적 메모리가 부족할 때 새로운 데이터를 위해 기존의 메모리 페이지를 스왑 영역으로 이동시키거나 삭제하는 과정을 의미한다.
• 필요성
  한정된 물리적 메모리 내에서 여러 프로세스가 원활하게 실행되도록 하기 위해 반드시 필요하다.

페이지 교체 알고리즘

여러 알고리즘이 존재하며 대표적인 예는 다음과 같다.

• FIFO (First-In, First-Out)
  가장 먼저 메모리에 들어온 페이지를 우선적으로 교체한다.
• LRU (Least Recently Used)
  가장 오랫동안 사용되지 않은 페이지를 교체하여 최근에 사용된 페이지는 유지한다.
• OPT (Optimal)
  앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체하지만 미래를 예측해야 하므로 현실적으로 구현하기는 어렵다.

페이지 폴트(Page Fault) 처리

• 페이지 폴트 발생
  프로세스가 참조한 페이지가 물리적 메모리에 존재하지 않을 때 발생한다.
• 처리 과정
  운영체제는 하드 디스크에서 해당 페이지를 찾아 메모리에 로드하고 필요한 경우 다른 페이지를 교체한다.
• 성능 영향
  페이지 폴트가 자주 발생하면 하드 디스크의 접근 속도가 느리기 때문에 시스템 전체의 성능 저하로 이어질 수 있다.